混凝土矿物掺合料

混凝土矿物掺合料
侯云芬
明天的混凝土将含有较少的熟料，因此 水泥业将成为水硬性胶凝材料业，一种向市 场提供与水拌和时能硬化的微细粉末的工业。 这种使矿物组分，而不是细磨熟料用量增大 的做法，将有助于水泥业向更加符合各国政 府提出的可持续发展的目标迈进。今天的水 泥业沿着这个方向努力已经是非常必要了。
3、改善新拌混凝土的工作性。混凝土提高流
动性后，很容易使混凝土产生离析和泌水， 掺入矿物细掺料后，混凝土具有很好的粘 聚性。像粉煤灰等需水量小的掺合料还可 以降低混凝土的水胶比，提高混凝土的耐 久性。
4、降低混凝土温升。水泥水化产生热量，而混凝土 又是热的不良导体，在大体积混凝土施工中，混凝
土内部温度可达到50~70℃，比外部温度高，产生
2、粉煤灰质量等级 低钙粉煤灰的密度一般为1.8～2.6g/cm3，松散容重 为600～1000kg/m3，GB/T1596－2005《用于水泥和混 凝土中的粉煤灰》提出粉煤灰的技术要求。
级别 指标 细度（0.045mm方孔筛筛余），％ 需水量比，％ 烧失量，％ 不大于 不大于 不大于 I 12 95 5 1 II 25 105 8 1 III 45 115 15 1
2、形态效应
• 由外观形貌、表面性质、颗粒级配等产生的效应。
• FA中的球形颗粒含量较高时，可增大混凝土的流动性。
• 矿中尖角状颗粒含量很多，易导致混凝土泌水。
3、微集料效应
• 掺和料中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充毛细孔， 改善混凝土孔结构和增大密实度的效应。
• 混凝土中掺入适量的矿物掺合料混合均匀之后，粉体的颗 粒级配更为合理，密实度提高。
所以应该采取的技术措施主要是 ① 要控制坍落度尽可能小。因为试验表明大掺量粉 煤灰混凝土坍落度为125mm时，可相当于180mm的 普通混凝土。但由于用水量很低而不离析或泌水。 ②注意不要过度振捣，防止粉煤灰上浮。 ③要降低水胶比，保证大掺量粉煤灰混凝土强度， 尤其是早期强度。 ④注意及早、有效的养护以及足够的湿养护时间。 初凝前后开始覆盖养护保证不失水。湿养护时间 也很重要，最好养护14天，至少7天。 总之：采用较低水胶比，及早地覆盖养护，充足 的湿养护时间（>7d）是粉煤灰在混凝土中应用的 关键技术。
4、在低水胶比情况下，掺加矿物细粉掺合料， 混凝土中的可冻水很缺乏，抗冻性大幅度提高，
当然高抗冻性与与低水胶比直接相关，但也与 掺加矿物细粉掺合料密不可分，例如，水科院 李金玉等人研究同为0.26的水胶比，不掺加矿 物细粉掺合料的C60混凝土其抗冻融循环只达 到F250，而掺加矿物细粉掺合料的混凝土抗冻 融循环可达F1000以上。
• 提高混凝土的抗渗性与抗Cl-1的侵蚀能力。
4、界面效应
• 掺和料与水泥熟料水化产生的 Ca(OH)2发生火山灰反应，减少了混 凝土中Ca(OH)2的含量，从而改善界 面过渡区的结构，使浆体—界面的粘 接力增强。 • 一定程度上改善混凝土的力学性能与 耐久性。
薄弱的过渡区
骨料 周围 的过 渡区
Cements of yesterday and today； Concrete of tomorrow P.-C.Aï tcin
一、什么是矿物掺合料
• 活性氧化硅、氧化铝和其它有效矿物为主要成分， 在混凝土中可以代替部分水泥、改善混凝土综合性 能，且掺量一般不小于5%的具有火山灰活性或潜 在水硬性的粉体材料。 • GB/T18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加 剂》明确规定：用于改善混凝土耐久性能而加入的、 磨细的各种矿物掺合料，又称矿物外加剂，其主要 特征是磨细矿物材料，细度比水泥颗粒小，主要用 于改善混凝土的耐久性和工作性能。 • 是混凝土的第六组分。常用的矿物掺合料有：粉煤 灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉。
• 粒化高炉矿渣在水淬时形成的大量玻璃体,具有微弱的自身 水硬性。 • 用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过400m2/kg，以 较充分地发挥其活性，减少泌水性。 • 当矿渣的比表面积超过400m2/kg后，用于很低水胶比的混凝 土中时，混凝土早期的自收缩随掺量的增加而增大；矿渣 粉磨得越细，掺量越大，则低水胶比的高性能混凝土拌和 物越黏稠。 • 用于大体积混凝土时，矿渣的比表面积宜不超过420m2/kg。 • 超过420m2/kg的宜用于水胶比不很低的非大体积混凝土； • 矿渣颗粒多为棱形，会使混凝土拌合物需水量随着细度提 高而增加，成分也提高。综合技术经济效益不好。
矿粉对新拌混凝土出机坍落度的影响
• 矿粉掺量较低时，新拌混凝土出机坍落度增加。 • 矿粉掺量较高时，新拌混凝土出机坍落度随掺量的增大变化不大。
矿粉对混凝土抗压强度的影响
• KF的活性比FA大，仅从强度的角度考虑可实现更大掺量。 • 早期强度高，掺量较低时强度高于基准混凝土。 • 后期强度的增长低于同等掺量的粉煤灰混凝土
温度应力，混凝土内部体积膨胀，而外部混凝土随
着气温降低而收缩。内部膨胀和外部收缩使得混凝
土中产生很大的拉应力，导致混凝土产生裂缝。掺 合料的加入，减少了水泥的用量，就进一步降低了 水泥的水化热，降低混凝土温升。
5、抑制碱—骨料反应。试验证明，矿物掺合 料掺量较大时，可以有效地抑制碱—骨料反 应。内掺30％的低钙粉煤灰能有效地抑制碱 硅反应的有害膨胀，利用矿渣抑制碱骨料反 应，其掺量宜超过40％。
（二）粒化高炉矿渣粉（矿粉）
• 矿渣是在炼铁炉中浮于铁水表面的熔渣，排出时 用水急冷，得到粒化高炉矿渣。将粒化高炉矿渣 经干燥、磨细达到相当细度且符合相应活性指数 的粉状材料，细度大于350m2/kg，其活性比粉煤 灰高。GB/T18046-2008《用于水泥与混凝土中的 粒化高炉矿渣》
级别
指标 表面积，m2/kg 活性指数，7d 28d 流动度比，％ S105 ≥500 ≥ 95 ≥ 105 S95 ≥400 ≥ 75 ≥ 95 ≥ 95 S75 ≥300 ≥ 55 ≥ 75
含水量，％
三氧化硫，％
不大于
不大于
3
3
3
3、粉煤灰对混凝土性能的影响
（1）对新拌混凝土出机坍落度的影响
• FA掺量较低时，新拌混凝土出机坍落度略有增加。 • FA掺量较高时，新拌混凝土出机坍落度随掺量的增大而下 降。
（2）对混凝土不同龄期抗压强度的影响
• 早期强度均低于基准混凝土 • FA掺量合适，28d强度略高于基准混凝土 • FA掺量过大，各龄期的强度均低于基准混凝土
6、提高混凝土的耐久性。混凝土的耐久性与 水泥水化产生的Ca(OH)2密切相关，矿物细掺 料和Ca(OH)2发生化学反应，降低了混凝土中 的Ca(OH)2含量；同时减少混凝土中大的毛细 孔，优化混凝土孔结构，降低混凝土最可几 孔径，使混凝土结构更加致密，提高了混凝 土的抗冻性、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀等耐久
总之，现代混凝土科学中最突出的两大成
就：其一是高效外加剂的生产和应用；其二是 矿物细粉掺合料的的研究、应用与发展。后者 的重要意义远远超过了以前仅仅为节约水泥的 经济意义和利用废弃资源的环保意义。它涉及 到全面提高混凝土的各项性能，使混凝土寿命 提高到500—1000年成为可能。
五、常用矿物掺和料 （一）粉煤灰
•
•
（6）对混凝土抗冻融性能的影响
• 在经历相同的冻融循环次数后，FA混凝土的相对动弹模量低于基准混 凝土，说明掺加FA后不利于混凝土的抗冻融性能
4、粉煤灰使用时存在问题和对策
改善拌和物施工性，但坍落度太大时，(I 级)粉煤灰颗粒易上浮发生泌浆；
早期强度较低；大掺量时在较低气温下凝 结缓慢； 早期孔隙率大，碳化问题较突出(需采取对 策)； 对水敏感，在无保湿的条件下，因内部黏 度增加，阻碍持续泌水而会加剧塑性开裂。
矿粉对浆体凝结时间的影响
• 矿粉掺量越大，浆体的凝结时间越长 • 浆体的凝结时间的延长与KF的掺量基本呈线性增长关系。
矿粉对混凝土塑性收缩的影响
• 掺量在25%以内，混凝土的塑性收缩略有增大，但增大幅度很小 • 掺量超过25%，混凝土的塑性增长幅度很大，易导致裂缝的产生
粉煤灰：热电厂煤粉 燃烧后的产物，以硅 酸盐和铝硅酸盐为主
矿渣：冶炼生铁的副产品， 以硅酸盐和铝硅酸盐为主
二、矿物掺和料在混凝土中的作 用效应
• • • • 火山灰效应 形态效应 微集料效应 界面效应
1、火山灰效应
• 掺和料中的SiO2、Al2O3等潜在活性物质与碱性 物质或石膏反应生成水硬性物质。 • 水泥的水化反应产生Ca(OH)2 C2S+mH→CSH+(2-x)CH C3S+nH→CSH+(3-x)CH • 掺合料发生水化反应的条件： 碱性物质或硫酸盐 + 水 + 潜在活性物质 • 粉煤灰的活性7d以后才能逐渐表现来，反应率 28d为1.5 %～5.5 %, 90d为8～13%, 180d为 15～19%之间。
裂缝扩展的 路径和方向 水泥石 骨料
C-S-H 钙矾石
CH
骨料
过渡区
水泥石本体
骨料
氢氧化钙
三、掺合料在混凝土中的作用
1、掺合料可代替部分水泥，成本低廉，经济效益 显著。 2、增大混凝土的后期强度。矿物细掺料中含有活 性的SiO2和Al2O3，与水泥中的石膏及水泥水化生 成的Ca(OH)2反应，生成生成C-S-H和C-A-H、水化 硫铝酸钙。提高了混凝土的后期强度。但是值得 提出的是除硅灰外的矿物细掺料，混凝土的早期 强度随着掺量的增加而降低。
性能。
7、不同矿物细掺料复合使用的“超叠效应”。 不同矿物细掺料在混凝土中的作用有各自的 特点，例如矿渣火山灰活性较高，有利于提 高混凝土强度，但自干燥收缩大；掺优质粉 煤灰的混凝土需水量小，且自干燥收缩和干 燥收缩都很小，在低水胶比下可保证较好的
抗百度文库化性能。
四、矿物细粉掺和料的耐久性改善效应
由于和游离石灰及高碱性水化硅酸钙产 生二次水化，生成强度更高、稳定性更优、 数量更多的低碱性水化硅酸钙，改善了水化 胶凝物质的组成，并减少或消除了游离石灰， 对提高混凝土耐久性作用极大。 1、抗硫酸盐侵蚀性能显著提高，因为在水 泥石中缺乏或不存在游离石灰时形成具有膨 胀作用的钙矾石反应不能进行；
1、化学成分 粉煤灰的化学成分因煤的品种及燃烧条件而异。一 般来说，粉煤灰化学成分的变动范围为：SiO2含量 约为40％～60％；Al2O3含量为20％～30％，Fe203 含量为5％～10％， CaO含量2%～8%，烧失量3％～ 8％，SiO2和Al2O3是粉煤灰中的主要活性成分，粉 煤灰的烧失量主要是未燃尽碳，其混凝土吸水量大， 强度低，易风化，抗冻性差，为粉煤灰中的有害成 分。
2、在有碱集料反应产生的条件下由于矿物细粉掺 合料的掺加在混凝土水化产物中形成大量低碱 水化硅酸钙，它们能吸收和固定大量的钠、钾 离子从而使混凝土中的有效碱含量大大减少，
极大地减少了碱集料反应的危害性。
3、矿物细粉掺合料的掺加它们填充集料和水泥颗
粒的孔隙，使混凝土结构和界面更为致密，阻
断了可能形成的渗透通路，使混凝土抗渗性大 为提高。
（3）对浆体凝结时间的影响
• FA掺量越大，浆体的凝结时间越长 • FA掺量超过30%，浆体的凝结时间涨幅增大。
（4）对混凝土塑性收缩的影 响
• FA混凝土的塑性收缩低于不掺FA混凝土 • 高钙灰更有利于降低混凝土的塑性收缩
（5）对混凝土抗碳化性能的影响
• 加入掺合料消耗掉 混凝土中的部分 Ca(OH)2，使混凝 土的总体碱度降低， 继而加速碳化进程 粉煤灰掺量30%之 内对混凝土的碳化 性能影响幅度较低 混凝土碳化后失去 对钢筋的保护作用， 对钢筋混凝土结构 的耐久性不利
5、对于碳化和钢筋锈蚀的担忧。掺加矿物细粉掺合 料的可能带来的负面影响是混凝土的碱度降低，抗 碳化能力减弱，引起保护钢筋的能力减弱。但是在 低水胶比下，混凝土的碱度下降并不十分急剧。蒲 心诚等人对大掺量粉煤灰水泥的碱度研究表明粉煤 灰掺量从0提高至70%时pH值仅由12.6下降至12.06， 说明粉煤灰掺加70%时，水泥胶砂的pH值仍然高于 12，高于配筋结构允许的最低碱度11.5。除此之 外，掺加矿物细粉掺合料，在低水胶比时密实性很 高，水分甚至氧和二氧化碳都难以进入，这同样增 大了混凝土的护筋性。